CSS技术是Chirp Spread Spectrum的简称,即线性调频扩频技术。这种技术以前主要用于脉冲压缩雷达,能够很好的解决冲击雷达系统测距长度和测距精度不能同时优化的矛盾。因此国内外的研究,一直局限在雷达领域。近年来,随着IEEE将CSS技术列为802.15.4a技术标准的底层实现方式之一,该项技术在通讯领域的应用才逐渐受到关注。  从信号特征上来说,CSS信号是一种扩频信号,发送脉冲信号的瞬时频率,在一个信息周期T内会进行线性的频率调整,并扫过一定的带宽,所以这是典型的扫频信号。

CSS通讯与定位系统特征定义:
  • 1. CSS通讯是一种载波通讯技术,但和通常的正弦型信号载波不同,该信号是脉冲载波;
  • 2. CSS脉冲信号与UWB冲击脉冲信号不同,UWB冲击脉冲可直接携带信息;CSS运用一串脉冲携带信息,并在发送端进行调制后发出,接收端经过滤波压缩后提取信息;
  • 3. CSS信号最大技术特征是利用脉冲压缩技术,该技术使得接收脉冲能量非常集中,极其容易检测出来,提高了抗干扰和多路径效应能力;
  • 4. 由于上述技术而使得接收机端可以直接捕获脉冲压缩,从而利用锁相环电路进行时间同步;且由于脉冲压缩技术有很好的抗频率偏移特性,并不需要进行频率同步;
  • 5. 由于CSS信号在时域和频域上同时被扩展,使得信号频谱密度降低;又因为采用脉冲压缩技术,信号通过匹配滤波器获得较大的处理增益,使得整体功耗很低;
  • 6. CSS脉冲信号的产生过程,可以同时运用调频、调幅、调相等技术手段;
  • 7. CSS作为有载波的通讯手段,能够运用于载波UWB系统的开发,从而与目前基于冲击脉冲的UWB系统形成互补;
CSS技术核心 — 脉冲压缩技术
  CSS信号一般被称为切谱信号,台湾学者称为啁啾信号,英文Chirp Pulse。CSS的核心技术是源于雷达系统的脉冲压缩技术。根据该技术理论,带宽为B, 扫频时间为T的CSS信号,经过压缩匹配后,能量将基本集中在中心B/2的区域,而脉冲幅度将提高到 。因此脉冲能量将集中在一个很短的时间内。CSS信号经过压缩处理后,能量将集中在B/2区域内,且幅度有很大的提高。  在实际信号调制过程中,一般利用SAW器件(声表面波滤波器),通过激励脉冲触发出具有脉冲特性的CSS信号, 这些信号在信道中传输,并被接收端收到后,经过滤波器处理,获取脉冲压缩。由于接收端检测到的脉冲压缩信号中的噪音成分,解扩时已经在时域上被匹配滤波器展宽削弱或滤掉,这样就等于把宽带干扰转变成窄带干扰,且因有用脉冲幅值很大,很容易被检测到脉冲。

由于接收端可以运用脉冲压缩技术直接捕获高能量、高幅值脉冲,且抗频率偏移特性较好,实际通讯过程中能够不需要频率同步或者时间同步;这种检测时间精准的特性,为精确的距离测量提供了保证。在测距与定位系统中,接收机总是能够准确而快速的检测到脉冲到达的时间。

CSS与其他扩频手段比较
  无线扩频手段包括直接序列扩频(DS,如Zigbee)、跳频(FH)、跳时(TH)以及线性调频(CSS)。这四种技术中,最常用的是前三种,以及其混合系统;第四种一般在雷达系统中才会用到。有时第四种CSS手段也会作为前三种系统的补充应用,用于抵抗这些系统的频移特性。前种系统的缺点如下:

  • 1. DS扩频:处理增益容易受到PN码速率限制;时间同步要求高;捕获时间相对长,也受到PN码长度影响;
  • 2. FH扩频:获取高处理增益的同时,容易受到脉冲和全频带干扰影响;快速跳频系统设计复杂、频率合成难度高;慢速跳频时隐蔽性差;
  • 3. TH扩频:连续波干扰严重;需要峰值功率高,时间同步难;

容易看出,DS系统由于同步时间的问题,以及PN码的限制,在定位与测距系统中很难获得较好的测量结果;FH系统容易受到干扰,不易应用于恶劣环境;TH系统则在功耗和干扰问题上难以适用于现代的低功耗健壮系统的应用;本文第二节中已经介绍CSS系统的特性,不难看出,CSS系统由于采用了脉冲压缩的处理机制,在避免使用PN码的同时,有效实现了脉冲捕获时间精准的需求;而对于脉冲和连续波干扰信号,脉冲压缩处理过程也进行了过滤以及能量分散,同时有用脉冲能量压缩加大,避免了电磁信号干扰;在解扩过程获取高增益、脉冲压缩能量集中的特性,使得发射机并不需要通过增加Chirp线性脉冲能量来获取射频功率,大大降低了峰值功率的需求。

因此总的来说,CSS技术除了具有传统扩频技术如直序列扩频(DSSS),跳频扩频(FHSS)共同的优点,即抗衰减能力强,保密性好,处理增益大等,还具有功率谱密度低,抗频率偏移能力强,传输距离远,射频功耗低等特点。这些特点使得CSS技术从脉冲压缩雷达的特殊应用,到构建现代室内外通讯系统成为可能:较低的发射功率、较好的保密性、与通讯稳定性以及抗干扰、低功耗等特点,使CSS能够应用于大多数具有挑战性的环境。

 

CSS与UWB技术
  UWB事实上有两种定义,一种是根据美国国防部规定:凡是带宽与中心频率之比超过25%的通讯信号,都称之为UWB信号;另外一种按照FCC规定,在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽的信号称为UWB信号。因此前者是一种相对意义下的超宽带,后者是绝对意义下的超宽带。现代商用的理解一般驶FCC的定义。  事实上,UWB系统底层虽然是脉冲机制,但是也分为载波UWB系统和无载波UWB系统。无载波UWB系统是最早意义上的通讯系统,通常又称为基带、无载波或脉冲系统。这种系统中,发射机产生基带窄脉冲序列,并通过脉冲位置调制(PPM )或脉冲幅度调制(PAM)等调制方式携带信息,基带窄脉冲序列通过跳时(TH)扩频码选择时隙后直接发送到空中,而无需对载波进行调制。因此这种系统与传统的无线通信技术相比,系统收发机结构简单,系统功耗小,成本低,具有良好的定位功能。但是无载波脉冲方案存在两个主要的缺点:存在严重的符号间干扰(ISI),频谱利用率也不高。

以下摘自UWB标准论坛文章

Freescale和Intel提出的DS-UWB以及MB-OFDM,其实是载波通讯系统。其中DS-UWB将频段划分为2个:3.1GHz-5.15 GHz(低频段)和5.825GHz- 10.6GHz(高频段),并对基带信号通过对载波相位进行调制,在在这两个频段之一传输,或在这两个频段同时传输。DS-UWB提高了频带利用率高,但复杂度较高,成本增加,且依然无法解决符号间干扰(ISI)问题。MB-OFDM将可用的频段分为多个子频带,通过时频编码(TFC)跳频选择在不同的子频带上发送信号。每个子频带带宽大于500MHz,每个子频带的信号为一个OFDM信号,它由许多个正交的子载波信号合成。MB-OFDM系统优点突出:(1)与无载波脉冲通信方式相比,射频部分和前端模拟电路设计变得更容易,并降低了对ADC的要求。(2)频谱利用率很高,当子载波数目较多时,各子载波幅度谱叠加的总信号的幅度谱有很好的矩形特性。但是MB-OFDM系统需要增加复杂的FFT和IFFT单元,系统实现复杂而且功耗增加;OFDM固有的峰均比问题依然存在,并且由于FCC发射功率谱密度的限制,每个子频带带宽较窄可能导致发射功率不足,而无法进行高速通信;更需要指出的是,相对TH-UWB和DS-UWB方案,由于MB-OFDM方案中更小的子载波带宽使得系统失去了精确定位的特性。

因此在UWB的应用领域,无载波UWB以及载波UWB(DS-UWB)均可以用于距离测量和定位。且无载波UWB定位系统在硬件开销、距离、实现手段上要优于有载波UWB。

事实上,选用UWB窄脉冲进行定位根本上是基于以下的考虑:

  • 1. 脉冲系统具有精准的到达时间计算能力;系统带宽越宽、脉冲分辨率越高、越容易检测,则实现精确定位越容易;
  • 2. 脉冲系统具有良好的抗干扰性以及抗多路径效应能力;
  • 3. 由于较小能量传输较远距离,类似噪音的UWB信号具有良好的隐蔽性,并不易对其他的通讯系统产生干扰;

对比以上UWB脉冲定位系统的特征,CSS系统的能够满足的特性如下:

  • 1. 采用脉冲压缩定位技术,事实上在进行扩频宽带通讯的同时,进行了窄脉冲的提取工作,这个脉冲的检测提取过程能够做到非常精确,因此也能够实现精确的时间检测;
  • 2. 由于脉冲压缩通讯过程,匹配滤波器分散了干扰信号、多路径信号的能量,但叠加了有用脉冲的能量,使系统获得较高的信噪比;脉冲容易检测,也就体现了系统的良好抗干扰能力;
  • 3. CSS信号由于利用线性调频,将能量均匀分布在一定带宽上,使得脉冲发射功率很低;经过脉冲压缩后,又能获取较大的处理增益并很容易的检测出来。因此这个过程降低了射频功率,同样具有低截获特性,满足隐蔽通讯的需求,并不会对其他系统产生干扰。

CSS系统虽然能够满足上述特性,但是由于频率低、带宽窄,以及载波调制上的特性,测距分辨率、功耗上肯定不如宽频带的UWB。例如,UWB在7G的高频下,利用6G-8G带宽进行最大距离40米的定位,精确度可以达到0.1米,功率仅在-41dBm左右,不足0.1uW/Mhz。利用CSS信号进行40米长度的定位,精度达到0.6米,功率在-9dBm左右,大概为1.5uW/Mhz。

在系统得环境适应性方面,由于UWB定位信号频率达到6GHz-8GHz,其多路径效应方面好于CSS系统;在介质吸收方面,UWB、CSS信号都会被含水物质部分吸收,但也都能够抵抗人体的“电子烟雾”。这是Zigbee等信号所不具有的特征。

但是在实际的应用中,考虑系统的实现难度,实际的UWB系统一般在-25dBm左右难以提高,且复杂性增加较大,难以小型化,造价也随之升高。考虑到UWB信号对其他系统的影响,冲击脉冲也会造成更大的通讯干扰。一般的商业应用,只能维持在10-20米内应用。

因此综合来说,CSS系统是UWB系统性能的折中版本,运用CSS系统能够实现比UWB略差的定位性能,而性价比却大大提高。CSS系统在一般的定位场合,可以替代UWB系统。

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